Источники помех

напряженность электрического поля на подстанции с элегазовой изоляцией за небольшой промежуток времени снижается до нуля.

Таблица 3.3. Напряженность электрического и магнитного полей

Вероятной основной причиной уменьшения напряженности магнитного и, особенно, электрического полей служит наличие металлического экрана (корпус КРУЭ).

Коммутации выключателями менее опасны, чем разъединителями, поскольку выключатель имеет дугогасящую систему, которая не позволяет электрической дуге между контактами гореть слишком долго. При коммутациях разъединителями многократный пробой промежутка и горение дуги может продолжаться более 10 секунд. Многократность пробоя обеспечивается изменением полярности питающего напряжения. В этом случае возникает целая серия затухающих колебательных помех, следующих друг за другом через 5 - 15 мс.

Спектр частот помех существенно зависит от протяженности коммутируемых участков шин. Частота бывает тем выше, чем меньше протяженность (и, следовательно, эквивалентная ёмкость и индуктивность) коммутируемого участка. В то же время при коммутации значительных участков шин время горения дуги и, соответственно, длительность пачки импульсов будет выше. Так, например, в случае коммутации короткого участка ошиновки длиной несколько метров спектр частот достигает нескольких десятков мегагерц. В случае же коммутации длинного участка (например, обходной системы шин) основная часть спектра помехи будет лежать в диапазоне сотен килогерц.

Электромагнитные помехи возникают и при коммутациях в цепях релейной защиты и автоматики. В качестве примера рассмотрим простейший случай питания катушки промежуточного реле KL через переключатель П от источника постоянного тока Б (рис. 3.19)

В нормальном режиме контакты переключателя П замкнуты, в цепи протекал постоянный ток i. В реле KL создается магнитный поток Ф.

При отключении переключателя П ток пытается снизиться до нуля, а вместе с ним пытается снизиться до нуля поток Ф. Это приводит к появлению на выводах катушки KL ЭДС самоиндукции

.

Поскольку мы предположили, что ток i, а вместе с ним и поток Ф мгновенно снизились до нуля, то , т.е. стремится к бесконечно большому значению (нескольких киловольт).

В действительности величина U_L будет ограничена. При размыкании переключателя П к его контактам приложено ЭДС самоиндукции U_L в несколько кВ. Это напряжение пробивает воздушный промежуток между подвижным и неподвижным контактами П, и в цепи снова появляется ток, что приводит к снижению тока, росту U_L и пробою контактов П. Процесс прекратится только тогда, когда контакты переключателя П удалятся друг от друга настолько, что необходимое напряжение горения дуги превышает фактически имеющееся напряжение на контактах.

Таким образом, при отключении катушки реле KL будем иметь серию токовых импульсов большой крутизны (рис. 3.20). Крутизна импульса ограничивается наличием некоторого активного сопротивления в катушке KL. Импульсы тока являются первопричиной (источником) возникновения электромагнитных полей (помех).

Это особенно опасно там, где современную цифровую аппаратуру устанавливают рядом с электромеханическими системами защиты и автоматики.

8. Теле-радиопередатчики

Частоты, в котором работают теле- и радиопередатчики находятся, в диапазоне от нескольких килогерц (НЧ станции радиовещания) до сотен и тысяч мегагерц (мобильные телефоны, радары). Напряженность создаваемого электрического и магнитного полей зависит от мощности передатчика и расстояния до него. Слабый близко распложенный источник (например, сотовый телефон) может создавать большее поле, чем удаленный (мощный передатчик).

Передающие радиоцентры (ПРЦ) размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать довольно большие территории (до 1000 га). По своей структуре они включают в себя одно или несколько технических зданий, где находятся радиопередатчики и антенные поля, на которых располагаются до нескольких десятков антенно-фидерных систем (АФС). АФС включает в себя антенну, служащую для излучения радиоволн, и фидерную линию, подводящую к ней высокочастотную энергию, генерируемую передатчиком.

Зону возможного неблагоприятного действия ЭМП, создаваемых ПРЦ, можно условно разделить на две части.

Первая часть зоны - это собственно территория ПРЦ, где размещены все службы, обеспечивающие работу радиопередатчиков и АФС. Эта территория охраняется, и на нее допускаются только лица, профессионально связанные с обслуживанием передатчиков, коммутаторов и АФС.

Вторая часть зоны - это прилегающие к ПРЦ территории, доступ на которые не ограничен и где могут размещаться различные жилые постройки, в этом случае возникает угроза облучения населения, находящегося в этой части зоны.

Высокие уровни ЭМП наблюдаются на территориях, а нередко и за пределами размещения передающих радиоцентров низкой, средней и высокой частоты (ПРЦ НЧ, СЧ и ВЧ). Детальный анализ электромагнитной обстановки на территориях ПРЦ свидетельствует о ее крайней сложности, связанной с индивидуальным характером интенсивности и распределения ЭМП для каждого радиоцентра. В связи с этим специальные исследования такого рода проводятся для каждого отдельного ПРЦ.

Широко распространенными источниками ЭМП в населенных местах в настоящее время являются радиотехнические передающие центры (РТПЦ), излучающие в окружающую среду ультракороткие волны ОВЧ и УВЧ-диапазонов.

Ниже в табл. 3.4 приводятся значения напряженности электрического поля для наиболее распространенных передатчиков (информация взята из IEC 1000-2-3:1992-09). В отличие от импульсных помех (грозовые перенапряжения, коммутационные перенапряжения и т.д.) помехи от радиопередатчиков имеют узкую полосу. Поэтому сильное влияние радиопомех имеет место, когда происходит совпадение частоты помехи и одного из "окон уязвимости", аппаратуры. Наличие последних связано с рабочими частотами аппаратуры или резонансными частотами ее элементов.

Сравнительно уязвимой к воздействию радиочастотных помех является аппаратура проводной связи на высокой частоте. Это касается, в частности, скоростных цифровых линий связи и магистралей локальных вычислительных сетей. Традиционная аппаратура высокочастотной связи по ЛЭП использует низкие частоты и большие мощности и слабо подвержена влиянию радиопередатчиков.

Таблица 3.4. Расчетное значение напряженности электрического поля

9. Электробытовые приборы и электропроводка

Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, являются источниками электромагнитных полей.

Наиболее мощными следует признать СВЧ-печи, аэрогрили, холодильники с системой "без инея", кухонные вытяжки, электроплиты, телевизоры. Реально создаваемое ЭМП в зависимости от конкретной модели и режима работы может сильно различаться среди оборудования одного типа (см. рис. 3,21). Все ниже приведенные данные относятся к магнитному полю промышленной частоты 50 Гц.

Значения магнитного поля тесно связаны с мощностью прибора - чем она выше, тем выше магнитное поле при его работе. Значения электрического поля промышленной частоты практически всех электробытовых приборов не превышают нескольких десятков В/м на расстоянии 0,5 м, что значительно меньше ПДУ 500 В/м.

В табл. 3.5 представлены данные о расстоянии, на котором фиксируется магнитное поле промышленной частоты (50 Гц) величиной 0,2 мкТл при работе ряда бытовых приборов.

Таблица 3.5. Распространение магнитного поля промышленной частоты от бытовых электрических приборов

Наибольший вклад в электромагнитную обстановку жилых помещений в диапазоне промышленной частоты 50 Гц вносит электротехническое оборудование здания, а именно кабельные линии, подводящие электричество ко всем квартирам и другим потребителям системы жизнеобеспечения здания, а также распределительные щиты и трансформаторы. В помещениях, смежных с этими источниками, обычно повышен уровень магнитного поля промышленной частоты, вызываемый протекающим электротоком. Уровень электрического поля промышленной частоты при этом обычно невысокий и не превышает ПДУ для населения - 500 В/м.

Примеры распределения магнитного поля промышленной частоты в помещениях приведены на рис. 3.23 - 3.25.

10. Короткие замыкания

Короткие замыкания обычно сопровождаются сверхтоками, значительно превышающими токи нормального режима, достигающими десятков кА. Это приводит к возрастанию магнитных полей в окружающем пространстве.

По статистике около 95 % КЗ являются несимметричными и потому могут рассматриваться источниками несимметрии. Несимметрия, возникшая в месте КЗ, распространяется по всей сети. При КЗ на землю дополнительно возникают токи нулевой последовательности, которые протекают в "земле", по заземляющему контуру и создают разность потенциалов между различными точками заземляющего контура. При КЗ на подстанциях (ПС), кроме тока 50 Гц в месте КЗ и по ошиновкам протекает высокочастотный ток. Этот ток является следствием разряда заряженных емкостей ошиновок и оборудования ПС. Электромагнитные поля этого тока наводят импульсные помехи во вторичных цепях. Кроме этого происходит импульсный "подброс" потенциала заземляющего устройства. В [24] выполнен анализ высокочастотной составляющей при КЗ на землю для ПС с оборудованием 500 кВ. Схема замещения исследуемой ПС представлена на рис. 3.26.

На рис. 3.27 приведена осциллограмма ВЧ тока в месте КЗ для схемы замещения, представленной на рис. 3.26, а на рис. 3.28 спектр тока КЗ и токов через емкость силового трансформатора и трансформатора напряжения.

Основная высокая частота в спектре тока КЗ образуется разрядом емкостей системного трансформатора и трансформатора напряжения, имеющих наибольшие емкости.

11. Ядерный взрыв

При взрыве ядерного заряда в результате ядерной реакции освобождается большое количество энергии. Наряду с другими явлениями при этом возникает импульс гамма-излучения, длящийся примерно 100 нс и уносящий около 0,1 % общей энергии. Гамма-излучение в атмосфере вызывает электронный ток.

Электроны создают вместе с малоподвижными положительными ионами воздуха электрический диполь. Изменяющееся во времени и пространстве распределение заряда и тока обусловливает появление электромагнитного поля, называемого электромагнитным импульсом ядерного взрыва (ЭМИ).

При ядерном взрыве локального действия (высота взрыва 0-2 км) в непосредственной близости от места взрыва напряженность электрического поля составляет около 100 кВ/м, а магнитного до 100 ампер на метр.

При ядерном взрыве континентального действия (высота взрыва более 40 км) напряженность электрического поля составляет 30-60 кВ/м, а магнитного до 130 ампер на метр. Частотный спектр обоих взрывов одинаков и составляет 0,1-100 МГц.

Высотные ядерные взрывы особенно опасны для объектов электроэнергетики. Они вызывают появления трех типов электромагнитных импульсов, которые могут проявить себя на поверхности Земли:

первый ЭМИ высотного ядерного взрыва;

второй ЭМИ высотного ядерного взрыва;

третий магнитогидродинамический ЭМИ высотного ядерного взрыва.

Возникновение первого ЭМИ связано с отражением электронов Комптона, создаваемых X-излучением, Y-излучением и нейтронами при их взаимодействии с молекулами воздуха при ядерных взрывах на больших высотах.

Эти электроны когерентно отражаются магнитным полем Земли, так что поперечный поток электронов создает поперечное электрическое поле, распространяющееся по направлению к поверхности Земли.

Первый импульс характеризуется значительными пиковыми напряженностями электрического поля (десятки кВ/м), малой длительностью фронта (порядка единиц нс), небольшой общей длительностью импульса (до ста нс).

Непосредственно за быстрым первоначальным переходным процессом излучаемое нейтронами рассеянное и жесткое гамма-излучение создает дополнительную ионизацию, приводящую к появлению второго ЭМИ.

Напряженность электрического поля этого импульса составляет от 10 до 100 В/м и может длиться от 1 до десятков мс.

Последний импульс, обычно называемый магнитогидродинамический (МГД-ЭМИ), генерируется самим ядерным взрывом и характеризуется электрическим полем низкой амплитуды (порядка десятков мВ/м), длительным фронтом (порядка секунд) и длительным импульсом (сотни секунд).

На рис. 3.31 (взят из публикации МЭК 1000-2-9 за 1996 г.) показаны три рассмотренные составляющие высотного ядерного взрыва ЭМИ. Общая напряженность электрического поля определяется как:

,

где - напряженность первого ЭМИ высотного ядерного импульса;

- напряженность второго ЭМИ;

- напряженность МГД-ЭМИ.

Специфика электромагнитного импульса ядерного взрыва состоит в том, что его действие распространяется на значительную территорию. Особенно опасны воздействия импульса на протяженные системы (электрические сети, телефонные сети), в которых вследствие распределенного поведения и образования волн может аккумулироваться значительная энергия.

Возникающие перенапряжения имеют высокую скорость нарастания. Поэтому эти перенапряжения не могут быть снижены обычными разрядниками. Рекомендуется применять тщательное высокочастотное экранирование, осуществление передачи информационных сигналов по оптическим (оптоволоконным) каналам. Масштабы возможных электромагнитных влияний ядерных взрывов полностью не изучены и в настоящее время являются предметом исследований.

12. Заземление

Общие вопросы заземления

Для достижения различных целей заземление бывает:

рабочее;

защитное;

молниезащитное;

функциональное;

для обеспечения ЭМС.

Заземление, предназначенное для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки, называется рабочим заземлением. К такому заземлению относятся: заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек, измерительных трансформаторов тока и напряжения и т.д.

Защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током или прикосновения к металлическим или другим электропроводящим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате пробоя изоляции.

Зануление - электрическое соединение металлических частей установки с заземленной точкой источника питания.

Молниезащитное заземление предназначено для защиты человека, оборудования (аппаратов) от грозовых разрядов.

Функциональное заземление предназначено для обеспечения нормального функционирования электронного оборудования за счет обеспечения одинаковой точки отсчета напряжения для всех устройств и исключение "плавающего напряжения".

Заземление для обеспечения ЭМС предназначено для максимального подавления (снижения) помех относительно полезного сигнала. При этом не должно наблюдаться функционирование с ошибками и чрезмерная помехоэмиссия.

Вопросы проектирования, монтажа и наладки рабочего, защитного заземления и заземления молниезащиты в настоящее время хорошо изучены, методически проработаны и рассматриваются в специальной литературе "Безопасность и жизнедеятельность", "Изоляция и перенапряжения". Поэтому в целях исключения дублирования, сокращения объема пособия, эти вопросы здесь не рассматриваются. Однако вопросы влияния защитного заземления и заземления молниезащиты на ЭМС объектов энергетики все же касаться будем.

На энергетических объектах, как правило, заземления проектируются многофункциональными, выполняющими функции рабочего, защитного заземлений и молниезащиты.

В нормальном режиме: отсутствие грозовых разрядов, коротких замыканий на землю, повреждения изоляции оборудования и др. заземления не оказывают отрицательного влияния на ЭМС оборудования. Влияния проявляются при возникновении ненормальных режимов.

Помехи при возникновении КЗ

Протекание токов КЗ промышленной частоты по заземляющему устройству ПС может составлять несколько десятых долей секунды.

Протекающий ток может достигать десятков кА (до нескольких секунд). Конкретное значение тока КЗ зависит от мощности питающей системы, структуры сети (степени взаимосвязи отдельных ветвей), удаленности и вида КЗ.

Под действием токов короткого замыкания на заземляющем устройстве подстанции может возникнуть опасное повышение потенциала для автоматизированной системы технологического управления электротехническими объектами. Так как появляются значительные разности потенциалов между двумя произвольными точками заземляющего устройства, которые могут быть источником опасных перенапряжений, например, для вторичных кабельных измерительных цепей напряжения и тока, управления и сигнализации, подключенных к терминалам на релейном щите. Разность потенциалов зависит от удельного сопротивления земли, конфигурации, сечения и материала заземлителя. Таким образом, кабели могут подвергаться воздействию значительных токов и напряжений.

На основе обследования заземляющих устройств установлено, что при коротких замыканиях на подстанциях токи, протекающие по заземленнным оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей, могут достигать практически полного значения тока короткого замыкания. При этом возможны следующие типы термического воздействия на кабели вторичных цепей.

Повреждение изоляции кабеля. Допустимые по термической стойкости температуры для кабелей с ПВХ изоляцией составляют 150 , для кабелей в ПЭ изоляции - 120. Установленные по критерию допустимой температуры допустимые токи I_доп (кА), для оболочек и жил некоторых кабелей, используемых во вторичных цепях, приведены в табл. 3.5. Согласно этим данным допустимые токи много меньше или сравнимы с токами однофазного короткого замыкания на подстанцях, что и создает угрозу термического воздействия на изоляцию, заземленные оболочки и жилы кабелей вторичных цепей.

Таблица 3.5. Допустимый ток для оболочек и жил кабелей по условию термической стойкости

"Взрыв" кабеля. Возможно разрушение оболочки (жилы) кабеля при протекающих по кабелям токах, много больших допустимых по термической стойкости, когда температура медной оболочки (жилы) кабеля превышает 300, а алюминиевой - 200.

Выгорание контактных соединений. При большом значении переходного сопротивления контактного соединения заземления оболочки или жилы кабеля термическое воздействие при коротком замыкании приводит к выгоранию контактных соединений.

Как правило, выгорание происходит при протекающих по кабелям токах, меньших допустимых по термической стойкости.

Основными причинами термического воздействия на оболочки и жилы кабелей вторичных цепей являются следующие дефекты заземляющих устройств:

заземление оборудования только через оболочки и жилы кабелей;

большая длина проводника, заземляющего оборудование;

соединение заземляющих устройств, территориально приближенных друг к другу, только через оболочки и жилы кабелей.

Помехи при грозовых разрядах

В отличие от обычных коммутационных операций молния при прямом попадании в ПС может вызвать разрушительное воздействие. В этом случае будет иметь место механизм связи через общее сопротивление (например, повышение потенциала заземлителя) или прямая наводка в чувствительных цепях. Связь излучением может оказывать влияние только на уровень помех.

С другой стороны, полезно напомнить, что если длительность фронта импульса тока молнии на порядок больше, чем у токов переходных процессов, то амплитуда импульса может быть выше на порядки при одном и том же уровне помехи.

Наводки в проводниках, проложенных вблизи проводников заземления

В зависимости от относительного расстояния между проводниками, длины зоны влияния и амплитуды тока молнии результирующее возмущение будет варьироваться в широких пределах.

Очень важное замечание, о котором следует напомнить, касается числа проводников заземления. Недостаточно только обеспечить протекание тока молнии по кратчайшему пути к заземлителю, но и необходимо разделить его на несколько частей для снижения амплитуды каждой составляющей.

Прямой удар молнии в подстанцию. Как и при токах КЗ, наибольший уровень помех будет в цепях, выходящих за пределы контура заземления. Принимая во внимание величину протекающих токов, потенциал заземлителя может легко достичь несколько десятков или даже сотен кВ.

Однако в отличие от случая с током промышленной частоты, даже в пределах территории заземлителя ситуация является сложной, так как потенциал сетки не может рассматриваться как имеющий одинаковое значение. Это вызвано индуктивными явлениями, учет которых необходим при повышении частоты.

Прямой удар молнии в линию высокого напряжения. Данная ситуация встречается гораздо чаще, чем прямой удар в ПС. Ее последствия имеют существенно меньшее значение. Следствием удара молнии в линию электропередачи может быть перекрытие изоляции и, вследствие этого, появление импульса напряжения с очень крутым фронтом, спектральный состав которого содержит гораздо более высокие частоты, чем импульс напряжения, вызванный самой молнией.

В этом случае уровень помех может сравняться с тем, что имеет место при пробое изоляции оборудования или коммутационных операциях на самой ПС.

Заземление для обеспечения ЭМС

Для целей обеспечения ЭМС можно различить три иерархические разновидности заземления:

- эквипотенциальная область или плоскость, которая используется в качестве опорной;

- путь с низким полным сопротивлением для токов, которые возвращаются к источнику;

- путь с низким передаточным сопротивлением для предотвращения перехода токов общего режима в дифференциальный.

Эквипотенциальная область

Наиболее желательный результат заземления заключается в том, чтобы отсутствовала разность потенциалов между двумя физическими точками. Таким образом, соединение к каждой точке может рассматриваться как подключение к одному и тому же потенциалу. В контексте ЭМС между этими точками отсутствуют напряжения помех и поэтому отсутствуют помехи, генерируемые в систему, заземленную только в двух точках.

Такая совершенная эквипотенциальная структура практически невозможна, но к ней приближается высокопроводящая плоскость. Провода имеют индуктивную составляющую полного сопротивления, которая препятствует эквипотенциальности, в то время как плоскость не обладает заметной индуктивностью. Задняя стенка шкафа, в котором расположено оборудование, пример такой плоскости, система заземления компьютерной комнаты в виде сетки приближается к ней.

Возвратный путь с низким полным сопротивлением

Совершенная эквипотенциальная структура заземления невозможна, как только в ней начинают протекать токи. Любая реальная структура имеет ненулевой потенциал между любыми двумя точками, когда между ними протекает ток. На практике по ЭМС всегда пытаются минимизировать напряжение помех, развиваемое в заземлении и поэтому основное, правило для выполнения качественного заземления заключается в минимизации полного сопротивления, по которому протекает ток помех.

Иногда схема разработана так, что "земля" используется в качестве функционального возвратного пути - специально подсоединяя возвратные цепи источника и нагрузки к системе заземления, не объединяя их. На рис. 3.32а показана эта ситуация, где ток I протекает между точками А и В по земле. Вариант, представленный на рис. 3.32а, может быть приемлемым при условии, что структура заземления обладает низким полным сопротивлением для возвратного тока. Более широко используется вариант, показанный на рис. 3.32б, в котором для создания возвратного пути используется отдельный проводник, имеющий минимальную индуктивность.

Путь с низким передаточным полным сопротивлением

Структура заземления на рис.3.32 должна быть спроектирована таким образом, чтобы было обеспечено минимальное передаточное полное сопротивление (Z_T). Передаточное сопротивление определяется через напряжение, которое развивается на цепи приемника из-за токов, протекающих в источнике. Низкое значение Z_T означает, что токи помех, протекающие по земле (которые во всех практически случаях нежелательны), наводят минимум напряжения в нагрузке. И наоборот, токи внутри схемы не создают существенной разности потенциалов внутри схемы заземления. Высокочастотная составляющая сопротивления сильно зависит от формы проводника, а не от площади поперечного сечения или свойств материала. На обоих концах проводник следует подсоединять к тем заземленным элементам корпусов оборудования, которые имеют похожее передаточное сопротивление (примерно одинаковую с проводником форму).

Размещено на Allbest.ru